DE10033632C1

DE10033632C1 - Vorrichtung zur Herstellung rotationssymmetrischer Quarzglastiegel

Info

Publication number: DE10033632C1
Application number: DE10033632A
Authority: DE
Inventors: Johann Leist; Rolf Goebel; Helmut Fritz
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2020-07-12
Also published as: WO2002004368A1; CN1204069C; CN1386111A; NO20020936L; NO20020936D0; US7350378B2; KR20020029786A; DE50100807D1; EP1299316A1; JP4758597B2; JP2004502630A; EP1299316B1; US20020170316A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung (5) zur Herstellung eines Quarzglastiegels (2) wird durch zumindest zwei am Umfang des Quarzglastiegels (2) gleich verteilte Elektrodenanordnungen (7, 8) jeweils ein Abschnitt (14, 15) einer Wandung (13) des hierbei rotierenden Quarzglastiegels (2) erhitzt. Durch den Einsatz mehrerer Elektrodenanordnungen (7, 8) kann die Abkühlphase der Abschnitte (14, 15) bis zum Erreichen der nachfolgenden Erhitzungszone (11, 12) verkürzt und dadurch eine unerwünscht hohe Temperaturdifferenz der Wandung (13) verhindert werden. Zugleich kann die erforderliche Wärmeleistung jeder einzelnen Elektrodenanordnung (7, 8) verringert werden, so daß Verdampfungserscheinungen und die dabei auftretende Blasenbildung verringert werden. Neben den damit erreichbaren erhöhten Qualitätsanforderungen wird zugleich auch die Dauer des Herstellungsverfahrens verkürzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines rotationssymmetrischen Quarzglas tiegels durch abschnittsweise Erwärmung mittels einer zur Erzeugung eines Lichtbogens vorge sehenen Elektrodenanordnung, bestehend aus einer oder mehreren Anoden und einer Katho de, wobei der Quarzglastiegel um seine Rotationsachse drehbar ist.

Eine Vorrichtung der genannten Art wird in der Praxis aufgrund ihrer hohen Wirtschaftlichkeit vielfach eingesetzt. Eine in Rotation versetzte Schmelzform wird hierzu teilweise mit einer SiO₂- Körnung gefüllt, wobei dies eine natürliche oder synthetische SiO₂-Körnung sein kann. Mit Hilfe einer Schablone wird während der Rotation aus der Körnung eine Vorform des späteren Quarz glastiegels erstellt. Danach wird mittels der Elektrodenanordnung ein Lichtbogen gezündet und in verschiedenen Ebenen an der rotierenden Wandung des Quarzglastiegels entlanggeführt, wobei die Quarzglaskörnung zu einer glasigen Wand in Form des Quarzglastiegels geschmol zen wird. Nach dem Abkühlen des Quarzglastiegels ist dessen endgültige Form bereits ge schaffen, wobei die Innenseite der Wandung glasiert ist, während an der Außenseite der Wan dung noch SiO₂-Körnung anhaftet, die einem nachfolgenden Arbeitsschritt abgerieben oder abgeschliffen wird. Die Außenseite ist unglasiert.

Ein solches Verfahren ist auch Gegenstand der DE 197 10 672 A1, bei dem zusätzlich durch Einstreuen von SiO₂-Körnung mit weiteren Bestandteilen ein schichtartiger Aufbau mit speziel len Eigenschaften hergestellt wird.

Von grundsätzlicher Bedeutung ist die Einhaltung einer insbesondere durch die geometrischen Abmessungen des Quarzglastiegels bestimmten Drehzahl der Schmelzform, weil die hierbei auftretenden Fliehkräfte die SiO₂-Körnung in der mittels Schablone vorgeformten Form halten.

Dabei führt eine unzureichende Drehzahl mit entsprechend geringen Fliehkräften dazu, daß die lose SiO₂-Körnung nicht in der gewünschten Position gehalten werden kann und teilweise in der Schmelzform zu Boden rutscht. Im Gegensatz hierzu führt eine zu hohe Drehzahl dazu, daß die Bodenschicht des Quarzglastiegels nach außen verlagert wird und dabei aufreißt. Die Drehzahl ist demnach nur sehr eingeschränkt variabel.

Als nachteilig erweist sich dabei, daß eine ausreichend hohe und gleichmäßige Erhitzung der Wandung, insbesondere bei großen Quarzglastiegeln nur dadurch erreicht werden kann, daß die Elektrodenanordnung mit einer hohen Wärmeleistung betrieben wird. Dabei kann es jedoch beim Einstreuen von SiO₂-Körnung zu Verdampfungserscheinungen und Blasenbildung kom men, wodurch die Qualität des Endproduktes erheblich verschlechtert wird. Außerdem wird die Aufbaurate für die Innenschicht reduziert (Folge größere Verdampfungen). Weiterhin bedingt die partielle Erhitzung eines Abschnittes der rotierenden Wandung eine Abkühlphase entspre chend der Dauer einer vollen Umdrehung bis der Abschnitt der Wandung erneut in die Erhit zungszone eintritt, deren Dauer insbesondere bei geringen Drehzahlen und großen Durchmes sern des Quarzglastiegels zu starken Temperaturschwankungen und damit zu Qualitätseinbu ßen führt.

Aus EP 1 002 770 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Quarzglastie geln bekannt, bei der zumindest drei Elektroden zur Erzeugung eines Lichtbogens eingesetzt werden. Die zu erschmelzende Quarzglaskörnung rieselt direkt in den Lichtbogen, wobei uner wünschterweise ein gewisser Anteil an SiO₂-Dampf entsteht, der sich als weisser Niederschlag an der Tiegelwandung absetzen kann. Dieses Risiko wird gemäß EP 1002 770 A2 durch geeig nete Maßnahmen an den Elektrodenhaltern oder -spitzen, zum Beispiel das Anbringen eines Quarzglasrings, minimiert.

US 4 956 208 betrifft einen Quarzglastiegel mit einer weitgehend blasenfreien, transparenten Innenschicht und einer opaken, blasenreichen Außenschicht. Für die Herstellung eines derarti gen Quarzglastiegels wird unter anderem vorgeschlagen, die Anordnung der Elektroden bzw. des zwischen diesen gezündeten Lichtbogen axial und radial in Bezug auf die Rotationsachse des Quarzglastiegels zu verändern, so dass der gewünschte mehrschichtige Aufbau realisiert wird.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der Ein gangs genannten Art derart weiterzubilden, daß unabhängig von der Drehzahl des rotierenden Quarzglastiegels die auftretende Temperaturdifferenz wesentlich vermindert werden kann, um so insbesondere unerwünschte Verdampfungen und Blasenbildungen durch starke Erhitzung bzw. Abkühlung weitgehend ausschließen zu können.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zusätzlich zu der ersten Elektrodenanordnung mit zumindest einer weiteren Elektrodenanordnung, bestehend aus einer oder mehrerer Anoden und einer Kathode, ausgestattet ist, welche einem der ersten Elektrodenanordnung abgewandten Abschnitt des Quarzglastiegels zugeneigt ist. Hierdurch kann die Temperatur des Quarzglastiegels unabhängig von der Drehzahl auf einem vergleichs weise hohen Niveau gehalten werden, so daß die auftretenden Temperaturdifferenzen wesent lich geringer ausfallen. Dabei erreicht ein durch den Lichtbogen der ersten Elektrodenanord nung erhitzter Abschnitt der Oberfläche, insbesondere der Wandung oder der Bodenfläche, bereits nach einer geringen Drehwinkeländerung die Erhitzungszone des Lichtbogens der zweiten Elektrodenanordnung, wobei die einzelnen Elektrodenanordnungen mit einer vermin derten Wärmeleistung betrieben werden können. Durch die damit verbundenen verminderten Verdampfungserscheinungen können einerseits zusätzliche Maßnahmen zum Absaugen der verdampften Bestandteile entfallen, andererseits erhöht sich der nutzbare Anteil der einge streuten SiO₂-Körnung, so daß ein schneller Aufbau einer Innenschicht mit einer erheblich grö ßeren Schichtdicke erreicht wird. Zudem entsteht eine im wesentlichen blasenfreie Innen schicht, wodurch höhere Qualitätsanforderungen problemlos realisierbar sind. Der Ausschuß anteil des so geschaffenen Quarzglastiegels und die Dauer des Herstellungsverfahrens wird zugleich vermindert, so daß eine verbesserte Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens ge geben ist. Weiterhin können dadurch auch wesentlich größere Tiegeldurchmesser hergestellt werden als dies nach dem Stand der Technik bisher möglich war.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gegeben, daß die Elek trodenanordnungen in verschiedenen, in Richtung der Rotationsachse des Quarzglastiegels voneinander beabstandeten Positionen angeordnet sind. Hierdurch kann eine großflächige Er wärmung beispielsweise über einen Teil oder die Gesamthöhe der Wandung des Quarzglastie gels erfolgen, um so eine gleichmäßige Erwärmung zu erreichen. Neben einer Qualitätssteige rung wird dabei auch die erforderliche Dauer des Herstellungsverfahrens, und dadurch der Her stellungsaufwand vermindert.

Dabei ist es auch besonders günstig, wenn die Elektrodenanordnungen voneinander unabhän gig verfahrbar sind. Hierdurch kann eine optimale Anpassung an unterschiedliche Formen des Quarzglastiegels durch einen entsprechend abgestimmten Abstand zu der Wandung erfolgen. Daher kann die mit der Vorrichtung erreichbare Qualität weiter verbessert werden, wobei insbe sondere auch aufwendige, von einer einfachen Topf- oder Zylinderform abweichende Formen eines Quarzglastiegels mit beispielsweise auch größeren Durchmessern ohne konstruktive Än derungen an der Vorrichtung herstellbar sind.

Hierzu ist eine Weiterbildung der Erfindung besonders gut geeignet, bei der die Elektrodenan ordnungen bezüglich des Umfanges des Quarzglastiegels gleich verteilt angeordnet sind. Die durch die geometrischen Abmessungen einschließlich der daraus resultierenden Drehzahl des Quarzglastiegels bestimmte Abkühlungsdauer eines Abschnittes der Wandung zwischen zwei aufeinander folgenden Erhitzungszonen der verschiedenen Elektrodenanordnungen ist dadurch konstant, so daß eine unerwünschte Temperaturschwankung verhindert werden kann. Die so ausgestattete Vorrichtung führt dadurch zu einer weiteren Steigerung der Qualität.

Dabei ist eine andere vorteilhafte Abwandlung der Erfindung dadurch gegeben, daß zumindest eine Elektrodenanordnung mit einer Zuführung für SiO₂-Körnung versehen ist, während zumin dest eine weitere Elektrodenanordnung ausschließlich zur Erhitzung vorgesehen ist. Hierdurch wird eine Vereinfachung der Vorrichtung und deren Steuerung erreicht, wobei eine Elektroden anordnung ausschließlich zur Erhitzung eines Abschnittes der Wandung verwendet wird, wäh rend in den Lichtbogen einer weiteren Elektrodenanordnung zusätzlich SiO₂-Körnung einge streut wird und so eine Innenschicht des Quarzglastiegels aufgebaut wird.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einer seitlichen Schnittdarstellung eine Schmelzform 1 mit einem darin einge setzten und als Tiegel ausgeführten Quarzglastiegel 2. Oberhalb einer Öffnung 3 des Quarz glastiegels 2 ist eine mit einem als Kühlplatte ausgeführten Kühlkörper 4 ausgestattete Vor richtung 5 positioniert, durch die eine erste Elektrodenanordnung 7 und eine weitere Elektro denanordnung 8 in einen Innenraum 6 des Quarzglastiegels 2 hineinragt. Diese jeweils mit ei ner oder mehreren Anoden 9 und einer Kathode 10 ausgestatteten Elektrodenanordnung 7, 8 bilden nach dem Zünden eines Lichtbogens jeweils eine Erhitzungszone 11, 12 im Bereich ei ner Wandung 13 des Ouarzglastiegels 2. In diesen Erhitzungszonen 11, 12 wird jeweils ein Ab schnitt 14, 15 der Wandung 13 erhitzt, wobei die Erhitzungsdauer eines jeweiligen Abschnittes 14, 15 durch die Drehzahl des hierbei um eine Rotationsachse 16 rotierenden Quarzglastiegels 2 bestimmt ist. Die Drehzahl ist ihrerseits insbesondere durch die Geometrie des Quarzglastie gels 2 weitgehend festgelegt, weil das zunächst ungebunden gegen die Schmelzform 1 anlie gende und den späteren Quarzglastiegel 2 bildende SiO₂-Körnung ausschließlich durch die Fliehkraft bei der Rotation in einer durch eine Schablone vorgeformten Form gehalten wird. Da bei führt eine zu hohe Drehzahl des Quarzglastiegels 2 insbesondere im Bereich eines Bodens 17 des Quarzglastiegels 2 zu einer unerwünschten nach außen gerichteten Verlagerung der SiO₂-Körnung, während demgegenüber eine zu geringe Drehzahl zu einem Abgleiten der Kör nung in der Schmelzform 1 nach unten führt. Durch die Verwendung von zwei Elektrodenan ordnungen 7, 8 wird daher die Dauer der Abkühlphase eines Abschnittes 14, 15 zwischen den jeweils aufeinander folgenden Erhitzungszonen 11, 12 verkürzt und daher die Temperaturdiffe renz der Wandung 13 verringert. Zugleich kann dabei die Wärmeleistung jeder einzelnen Elek trodenanordnung 7, 8 verringert werden, so daß auftretende Verdampfungen von Bestandteilen der eingestreuten SiO₂-Körnung in lediglich geringem Umfang auftreten und so ein weitgehend blasenfreies Endprodukt entsteht.

Bezugszeichenliste

1

Schmelzform

2

Quarzglastiegel

3

Öffnung

4

Kühlkörper

5

Vorrichtung

6

Innenraum

7

Elektrodenanordnung

8

Elektrodenanordnung

9

Anode

10

Kathode

11

Erhitzungszone

12

Erhitzungszone

13

Wandung

14

Abschnitt

15

Abschnitt

16

Rotationsachse

17

Boden

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung eines rotationssymmetrischen Quarzglastiegels durch ab schnittsweise Erwärmung mittels einer zur Erzeugung eines Lichtbogens vorgesehenen Elektrodenanordnung, bestehend aus einer oder mehreren Anoden und einer Kathode, wobei der Quarzglastiegel um seine Rotationsachse drehbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorrichtung (5) zusätzlich zu der ersten Elektrodenanordnung (7) mit zumindest einer weiteren Elektrodenanordnung (8), bestehend aus einer oder mehrerer Anoden (9) und einer Kathode (10), ausgestattet ist, welche einem der ersten Elektro denanordnung (7) abgewandten Abschnitt (15) des Quarzglastiegels (2) zugeneigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnun gen (7, 8) in verschiedenen, in Richtung der Rotationsachse (16) des Quarzglastiegels (2) voneinander beabstandeten Positionen angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenan ordnungen (7, 8) voneinander unabhängig verfahrbar sind.

4. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnungen (7, 8) bezüglich des Umfanges des Quarzglastiegels (2) gleich verteilt angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Elektrodenanordnung (7, 8) mit einer Zuführung für SiO₂-Körnung versehen ist, während zumindest eine weitere Elektrodenanordnung (7, 8) ausschließlich zur Erhitzung vorgesehen ist.